[플라즈마(Plasma)란 무엇인가] - 기본편

이번 편에서는 플라즈마에 대해 알아보자.

 

식각을 할 때 뿐만 아니라 박막 증착에서도 사용되는 플라즈마란 무엇이고, 어떤 특성을 가졌으며 어떻게 생성되는지에 대해 자세히 알아보아야 할 필요가 있기 때문에 플라즈마에 대해 먼저 알아보자.

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플라즈마(Plasma)의 정의

제 4의 물질(윌리엄 크룩스(1879)), 최초 플라즈마 명명(어빙 랑뮈르)

플라즈마란, 이온화된 기체로 중성입자+전자+이온+활성종(라디칼)+여기된(excited)중성종+광자(Photon)으로 이루어진 기체의 다음 상태를 뜻한다

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앞서 설명한 바와 같이, 플라즈마는 쉽게 설명하면 우리가 초등학교 과학시간에 배우는 물질의 3상에서 한 발자국 더 나아간 상태라고 생각하면 된다. 물질은 흔히 상온에서 고체, 액체, 기체와 같은 형태로 존재한다. 이때, 기체의 상태에서 일정 수준의 막대한 양의 에너지(열,자기장..etc)를 가해주면 기체 분자들이 점점 더 빨라지다 못해 이온화 되어, 양성자, 전자 단위로 쪼개져서 해당 영역에서 운동을 하게 된다. 이 때, 특이하게 활성종(radical)이 생기는데, 이는 공기중에 있던 소수의 자유전자가 막대한 양의 에너지를 받아 충분한 운동에너지를 가지고 이동하다가 타겟으로 넣어준 기체(Target) 분자와 부딪혀 해당 기체분자를 이루고 있는 원자 하나를 떼어내게 되고, 이로 인해 전체적으로는 중성이지만 매우 불안정한 활성종이 생기게  된다. 말로 설명하니까 엄청 뭔가 복잡해 보이지만 사실 별거 없다. 아래 그림을 보면 이해에 도움이 될 것이다.

 

플라즈마 생성 과정

 

플라즈마는 전기적으로는 준 중성 상태(Quasi-Neutrality)라고 정의한다. 이 의미는, 전체적으로 거시적인 관점에서 바라봤을 때는 전기적으로 양이온과 전자들이 조화를 이루고 있는 중성상태라고 할 수 있지만, 해당 구역내 특정한 부분에서는 전기적으로 극성을 띄기 때문에 이를 준 중성 상태(Quasi-Neutrality)라고 부른다. 다들 알겠지만 Quasi라는 뜻 자체가 '가짜' 라는 뜻이기 때문에 어느정도 유추가 가능했다.

 

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[플라즈마의 특성]

 

플라즈마의 정의에 대해 알아보았으니 이제 특성해 대해 알아보자!

 

플라즈마의 특성을 나타내는 대표적인 두가지의 그래프가 있는데, 하나는 이온화 에너지에 관한 그래프, 나머지 하나는 방전전압에 대한 그래프이다.

 

이온화 에너지 그래프

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파셴 곡선(Paschen's Curve)

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먼저, 첫번째 그래프에서 얻을 수 있는 정보를 정리해보자. Cross-section/m^2 은 한국어로 충돌 단면적이라고 한다. 이는,  같은 이온화 에너지에서 충돌 단면적값이 더 높으면 높을 수록 이온화 되기가 쉽다고 생각하면 된다. 위 그래프에서 볼 수 있듯이, 100eV의 전자 에너지를 기점으로, 그 이상으로 올라가면 이온화 에너지가 오히려 감소하는데, 이는 전자의 속도가 너무 빨라 충돌 확률이 감소해서 전자가 타겟 기체원자에 에너지를 전달할 시간자체가 없기 때문이다.

 

두번째 그래프를 살펴보자. 우선 방전전압이 무엇인지를 알아야 한다. 방전전압이란, 플라즈마가 발생할 수 있는 최소 전압을 의미한다. 즉 플라즈마를 만들기 위해서 가해 주어야 하는 최소 전압이다. 위 그래프는 두가지 구간으로 나누어 볼 수 있는데, X축인 PXd의 값이 낮을 때와 높을 때로 나눠보자.

 

Low PXd : 압력이 낮아, 기체 분자수가 적고 그로 인해 MFP(Mean-Freepath)가 증가하면서 Gas 분자와 충돌이 없이 지나가기 때문에 방전 전압이 증가한다.

 

High PXd : 압력이 높아, 기체 분자수가 많기 때문에 MFP가 감소하기 때문에 전자가 Gas 분자와 너무 많은 충돌을 하기 때문에 이온화 에너지가 부족해진다.

 

따라서 위의 두 문제점을 잘 타협하여 최적의 공정 조건을 설정해야 플라즈마를 최소의 방전전압을 이용하여 만들 수 있고 이는, 공정비용과 직결되는 부분이기 때문에 제품을 만드는 기업입장에서는 매우 중요한 부분이라고도 생각 된다.

 

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[플라즈마 생성 원리]

 

플라즈마 생성 방식은 크게 2가지로 나뉜다. 직류 플라즈마와 RF 플라즈마이다. 하나씩 설명해보도록 하겠다

 

직류 플라즈마(DC Plasma)는 말 그대로 DC전원을 이용해서 양 도체 판 사이에 전압을 가해 전계를 형성해주고 그 전계 내에 있는 타겟 기체를 플라즈마화 시키는 방식이다. 이때 가장 중요한 개념이 2가지가 나온다.

 

 

• 쉬스(Sheath) / 양극 쉬스와 음극 쉬스
• 플라즈마 전위(Vp)

쉬스(Sheath)는 양 도체판의 표면 부위에 형성되는 구간으로, 양극과 음극으로 나뉜다. 우선, 음극 쉬스를 먼저 생각해보자. 음극쉬스의 경우, 음전압을 걸어주기 때문에 당연히 플라즈마 상태로 존재하던 양이온들이 쪼르르 끌려오게 된다. 그러면서 점점 양이온들이 가속되면서 도체판에 부딪히게 된다. 그 후에 점점 양이온들이 계속 부딪히면서 음극을 걸어준 도체판 표면에는 점점 양이온들이 차게 되면서 전자들은 반대로 척력을 받아 반대쪽으로 이동하게 되어 해당 구역은 양이온들이 공간전하(Space Charge)로 작용하고 전자는 존재하지 않는 구간이 된다. 해당 구간에는 전자가 없기 때문에 전자가 가속되면서 중성원자와 충돌해서 생기는 빛의 파장이 없기 때문에 해당 구역을 Dark region이라고 부르기도 한다. 이때 양이온들이 가속되어 부딪히는 과정을 이용하여 박막증착공정에서 PVD의 한 종류인 Sputtering에도 사용된다고 추가적으로 알고 있자.

 

반대로, 양극에서는 어떻게 될까? 양극을 걸어준 도체판 표면에서는 당연히 전자들이 엄청난 속도로 달려오고 있을 것이다. 해당 전자들은 도체판에 연결된 접지를 통해 빠르게 빠져나가게 된다. 해당 구역에서 전위는 이미 플라즈마 전위가 형성 되어 있기 때문에 음극 쪽에서 오는 전자들은 해당 구역 내로 더이상 들어갈 수 없게 되고 발광 영역안에 남게 된다. 따라서 상대적으로 양극 근처에는 전자가 양이온보다 상대적으로 없기 때문에 양이온들이 해당 구역의 공간전하(Space Charge)로 작용한다. 따라서 해당 구역도 전자가 없기 때문에 빛이 나지 않는다고 알아두면 될 것 같다.

 

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[고주파 플라즈마(RF Plasma) 필요 이유]

 

아니 그럼, DC 플라즈마로 플라즈마 띄워서 쓰면 되는거 아니야? 라고 생각할 수 있지만 당연히 그게 아니다. 항상 공학은.. 정답을 찾은거 같으면 문제가 생겨서 그 문제를 해결하려고 또 문제를 푼다.. 어지러..

 

직류 플라즈마는 치명적인 한계가 존재한다. 바로, 직류 플라즈마는 전도체 금속일때만 사용 가능하고 부도체의 경우에 문제가 발생한다. 부도체의 경우 자유전자를 내놓지 못해, 충돌한 양이온을 중화시키지 못하여 양이온들이 부도체 표면에 쌓이게 된다. 그렇게 되면 양극과 음극 모두 양이온이 쌓이게 되고, 그러면 두 전도판 사이에 전압 차가 감소하면서 아까 위에서 배웠던 방전전압보다 작아져 플라즈마가 형성 되지 않게 되어버린다. 도체만 쓰면 안되나? 라고 생각하면 편하겠지만 부도체를 쓸일이 굉장히 많다.

 

RF(Radio Frequency)플라즈마를 사용하면 우리가 얻을 수 있는 장점은 명확하다. 바로 주기가 계속 양에서 음으로 주기적으로 바뀌기 때문에, 음극이 한 주기를 지나면 양극으로 바뀌면서 쌓여있던 양이온들을 반대쪽으로 밀어버리기 때문이다. 그렇게 되면서 양 전극간 전압차가 유지되고 플라즈마 생성 효율이 증가하게 되는 원리이다. 

 

고주파 플라즈마를 이용할 때 가장 중요한 것이 DC 자기 바이어스(DC Self Bias)이다. 기초편이니 간단하게 설명하자면, DC 전류를 차단할 DC 전류 차단용 커패시터를 전력쪽 방향에 설치하고, 두 전극의 면적이 차이가 나게 설계 하는 것이다. 그렇게 설계하면, 상대적으로 면적이 작은 전극에 적은 양이온 혹은 전자가 붙게 되기 때문에 물리적으로 DC 전압 차이가 나게 되고 그로 인해 DC Self-Bias가 생성 된다. 이때 중요한 부분은, 전력쪽 전극을 전력 전극이라고 하고 접지 방향 전극을 접지 전극이라고 하는데, 전력 전극쪽의 면적을 접지 전극의 면적보다 작게해야한다는 것이다. 아래 그림을 참고하자.

 

 

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[플라즈마 소스]

플라즈마 소스란, 간단히 말하면 플라즈마를 형성할 때 필요한 자기장을 의미한다. 이 자기장은 크게 두 가지 방법으로 만들 수 있다.

 

• CCP(Capacitively Coupled Plasma, 용량성 결합 플라즈마)
• ICP(Inductively Coupled Plasma, 유도 결합 플라즈마)

 

우선, CCP의 경우 커패시터 형태 전극 양단에 전압을 인가해서 플라즈마를 생성하는 방식이며 위에 열심히 설명했던 방식이다. 해당 방식으로는 균일한 플라즈마를 형성할 수 있어서 대면적에 플라즈마를 적용할 수 있다. 하지만 단점으로는, 전기장이 한쪽 방향으로만 개방적이라 상대적으로 저밀도 플라즈마가 형성된다. 또한, 단일 RF전원을 사용하는 경우에는 이온에너지와 전자 밀도의 독립 제어가 어려워 진다. 일단 기본 개념편이니 이해가 안되면 넘어가자.

 

ICP의 경우 코일을 챔버 외벽 또는 상부에 안테나 형태로 제작한다. 정말 쉽게 설명해보면, 코일이 전류를 변하게 하고, 변화된 전류에 의해 자기장이 변하고, 변한 자기장에 의해 시간에 따라 변하는 전기장이 형성된다는 소리이다. 즉! 정리하면 코일에 의해 전기장이 유도된다라는 소리다. 최신 공정 기술에는 ICP를 적용하는 경우가 많은데 이는 RF전원의 2원화를 통해 플라즈마 밀도와 이온 에너지를 독립적으로 제어할 수 있기 때문이다. 또한 플라즈마 밀도가 높아져 식각 속도도 증가하고 그로인해, 저압 공정이 가능해 이방성까지도 확보할 수 있기 때문이다. 단점이라면 균일도가 떨어지는 점 등이 있다.

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이번 포스트에서는 플라즈마에 대해 간단히 알아보았다. 원래는 식각공정과 같이 설명하려 했지만 내용이 너무 많아 다음 게시물에서 설명해보도록 하겠다.

 

안녕~!